Способ определения механической устойчивости массива горных пород

 

Использование: для определения степени механической устойчивости массивов горных пород при выборе мест строительства, проектировании, а также в процессе эксплуатации наземных и подземных сооружений повышенного риска (атомные реакторы, захоронения радиоактивных и промышленных отходов и т.п.) с целью их защиты от разрушения в результате динамических процессов, протекающих в земной коре. Сущность изобретения: способ включает расстановку сейсмоприемников на исследуемом массиве горных пород и периодическую регистрацию микросейсмических колебаний не менее чем одним трехкомпонентным и не менее чем двумя однокомпонентными сейсмодатчиками. При обработке полученных результатов выбирают удовлетворяющие критериям случайности исследуемого процесса и характеризующиеся наличием фоновых микроколебаний, импульсных колебаний волнового типа (ИКВТ) и цугов ИКВТ участки сейсмической записи, для которых строят графики зависимости изменения их амплитудно-частотных характеристик от времени, дополнительно определяют сейсмическую энергию ИКВТ, размеры блока, вызвавшего данное сейсмическое излучение, величину сбрасываемых в результате излучения напряжений и координаты очагов ИКВТ, для дополнительно определенных параметров также строят графики зависимости их изменения от времени, по полученным графикам определяют значение целевой функции как сумму вариаций всех определенных параметров, причем в качестве весовых коэффициентов целевой функции выбирают величины, равные обратному значению дисперсии каждого определенного параметра, а о механически устойчивом состоянии исследуемого массива судят, если разность средних значений целевой функции, определенных для периодов, равных одному году и одному месяцу, не превышает трех дисперсий вариации ее значений, определенных в течение года. 4 ил.

Изобретение относится к геологии и может быть использовано при определении степени механической устойчивости массивов горных пород при выборе мест строительства, проектировании, а также в процессе эксплуатации наземных и подземных сооружений повышенного риска (атомные реакторы, захоронения радиоактивных и промышленных отходов и т.п.) с целью их защиты от разрушения в результате динамических процессов, протекающих в земной коре.

Известен способ контроля механического состояния горного массива (1), в котором для получения пространственных и временных характеристик волновых полей проводят инструментальные наблюдения за микроколебаниями геофизической среды с использованием малоапертурных сетей сейсмической регистрации.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретению является способ контроля состояния тектонически нарушенного массива (2), включающий расстановку сейсмоприемников на исследуемом массиве, последующую регистрацию сейсмических колебаний и обработку полученных результатов, по которым судят о тектоническом состоянии массива горных пород.

Недостатком прототипа является низкая достоверность способа, т.к. в нем не учитывается изменение во времени параметров, характеризующих тектоническое состояние массива.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного способа, является повышение надежности контроля напряженного состояния массива горных пород, что приводит к повышению безопасности при эксплуатации подземных сооружений, предназначенных для захоронения промышленных отходов, в том числе радиоактивных.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе, включающем расстановку сейсмоприемников на исследуемом массиве горных пород, регистрацию сейсмических колебаний, обработку полученных данных, по результатам которой судят о состоянии массива горных пород, регистрацию и запись микросейсмических колебаний проводят периодически не менее чем одним трехкомпонентным и не менее чем двумя однокомпонентными сейсмодатчиками, выбирают удовлетворяющие критериям случайности исследуемого процесса и характеризующиеся наличием фоновых микроколебаний, импульсных колебаний волнового типа (ИКВТ) и цугов ИКВТ участки сейсмической записи, для которых строят графики зависимости изменения их амплитудно-частотных характеристик от времени, дополнительно определяют сейсмическую энергию ИКВТ, размеры блока, вызвавшего данное сейсмическое излучение, величину сбрасываемых в результате излучения напряжений и координаты очагов ИКВТ, для дополнительно определенных параметров также строят графики зависимости их изменения от времени, по полученным графикам определяют значение целевой функции как сумму вариаций всех определенных параметров, причем в качестве весовых коэффициентов целевой функции выбирают величины, равные обратному значению дисперсии каждого определенного параметра, а о механически устойчивом состоянии исследуемого массива судят, если разность средних значений целевой функции, определенных для периодов, равных одному году и одному месяцу, не превышает трех дисперсий вариации ее значений, определенных в течение года.

Наличие естественной иерархической структуры в земной коре, обусловленной блочным строением и наличием поверхностей и зон пониженной прочности (трещины, разломы разных размеров), определяет сложные деформационный процессы, происходящие в массивах горных пород вследствие как естественных геофизических процессов (включая кратковременные локальные возмущения, вызванные, например, приливными явлениями, циклонической деятельности, землетрясениями и т. д. ), так и в результате техногенного воздействия (крупномасштабные взрывы, вибрации от вращения роторов электростанций, добыча полезных ископаемых, закачка жидких отходов и пр.).

Изменение напряженно-деформированного состояния горных пород, нарушение "привычного" режима его деформирования при ярко выраженной пространственной неоднородности, а также нарушение хода релаксационных процессов (поддерживающих состояние устойчивого динамического равновесия среды в естественных условиях) в результате внешних воздействий могут служить причиной потери механической устойчивости массива горных пород и размещенных в нем сооружений. Важнейшим следствием внешних возмущений и прямого воздействия на массив горных пород является перераспределение энергии в результате нарушения хода энергообменных процессов, сформировавшихся в результате естественного эволюционного развития среды. В свою очередь, это влечет за счет концентрацию энергии на отдельных участках среды, в результате чего происходит изменение релаксационного режима. Отклонение от привычного для массива горных пород хода релаксационных процессов, характерного для данного времени года, суток и атмосферных условий, является индикатором нарушения динамически устойчивого состояния среды.

Одним из способов экспериментального изучения и контроля режимов и интенсивности релаксационных процессов, происходящих в массиве горных пород, является регистрация микросейсмических колебаний. Основными объектами регистрации и дальнейшей обработки и анализа в заявленном способе являются фоновые микроколебания и импульсные колебания волнового типа (ИКВТ) местного происхождения кратковременные колебания с амплитудой, превышающей фоновую, характеризующиеся наличием фиксируемого в пространстве источника. При определении механической устойчивости массива горных пород анализу подлежат слабые микросейсмические проявления (амплитуда ИКВТ на участках, характеризующихся низким уровнем тектонических напряжений и малой подвижностью структурных блоков, может не превышать 2 5 амплитуд фоновых колебаний). Такие проявления содержат информацию о среде в пределах небольших расстояний (1 10 км), что и определяет локальность предложенного способа определения механической устойчивости массива горных пород.

Реализация способа определения механической устойчивости массива горных пород осуществляется следующим образом.

1) В районе исследуемого участка разворачивается малоапертурная сеть сейсмических пунктов регистрации, которая осуществляется с использованием не менее одного трехкомпонентного и не менее двух однокомпонентных сейсмодатчиков.

2) Проводится регистрация микроколебаний среды в соответствии с выбранным режимом. Режим выбирается на основе предварительных исследований. Например, для массивов скальных пород достаточно проводить регистрацию временными интервалами длительностью 15 мин каждые 2 ч.

3) Проводится проверка качества сейсмической записи на основе оценки величины ее постоянной составляющей (среднее значение амплитуды колебаний) и отношения среднеквадратичной амплитуды к среднему модулю (в окне шириной 1 3 мин). Для последующей обработки отбираются участки записи, удовлетворяющие критериям случайности исследуемого процесса.

4) На основе анализа дисперсионных характеристик амплитуды колебаний и вычисления отношений дисперсий в узком (до 0,1 с) и широком (1 5 с) временных окнах в разных частотных интервалах выбираются участки сейсмической записи, характеризующиеся наличием: а) фоновых микроколебаний, б) содержащие ИКВТ, в) содержащие цуги (пакет) ИКВТ.

5) Проводится обработка и анализ фоновых микроколебаний в соответствии с алгоритмом: а) определяются среднеквадратичная амплитуда и спектральная плотность мощности колебаний (набор частот соответствующих максимумам спектра мощности и относительная спектральная амплитуда каждой квазигармонической составляющей) в выбранных временных окнах (5 15 мин); б) из исходной записи с помощью полосового фильтра высокой добротности вырезаются квазигармонические составляющие колебаний (центральные частоты фильтров); в) выделяются случайная и детерминированная часть колебаний на основе анализа траектории движения частиц среды в квазигармонических составляющих; г) строятся графики зависимости амплитудно-частотных параметров случайной составляющей колебаний от времени (суточные, сезонные и т.д.).

6) Проводится обработка и анализ ИКВТ и цугов ИКВТ в соответствии с алгоритмом: а) определяются основные характеристики импульсов (амплитуда, длительность, преобладающий период); б) определяется сейсмическая энергия ИКВТ;
в) определяются размеры блока, вызвавшего сейсмическое излучение, приведшее к появлению ИКВТ;
г) определяется величина сбрасываемых в результате излучения напряжений;
д) определяются координаты очагов ИКВТ;
е) строятся графики зависимости всех рассчитанных для ИКВТ параметров от времени (суточные, сезонные т.д.).

7) По полученным графикам определяют значение целевой функции

где Y_ijkl статистически значимые аномально высокие отклонения вычисленных параметров микросейсмических колебаний;
Y^*_ijkl их статистически характерные значения;
i индекс определяет конкретное ИКВТ;
j индекс определяет параметр ИКВТ;
k конкретный интервал времени суток;
l месяц, в который проводится контроль;
β_ijkl весовые коэффициенты, в качестве которых выбирают величины, равные обратному значению дисперсии каждого из определенных параметров.

8) Судят о механически устойчивом состоянии массива горных пород, если разность средних значений целевой функции, определенных для периодов, равных одному году и одному месяцу, не превышает трех дисперсий вариации ее значений, определенных в течение года.

Конкретный пример реализации способа
Способ был опробован при оценке механической устойчивости массивов горных пород при ряде подземных ядерных взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне (1981 1989 гг.), при контроле склоновых явлений в Южных Альпах (1990 1991 гг.), при закачке жидких отходов промышленности в Димитровграде (1991 1993 гг.), а также при выборе мест строительства объектов атомной энергетики на Кольском полуострове (1993 1994 гг.).

На фиг. 1 представлена схема тектонических нарушений разного иерархического ранга, пункты сейсмической регистрации и пространственное распределение очагов ИКВТ трех энергетических классов для одного из районов Южных Альп (коммуна Грозио провинции Сондрио, Северная Италия). На фиг. 2 приведен пример записи фоновой составляющей микросейсмических колебаний (а) и ИКВТ (б) в пункте 1. На фиг. 3 показано разделение случайной (а) и детерминированной (б) составляющих микроколебаний с помощью анализа траектории движения частиц среды. На фиг. 4 представлены графики изменения целевой функции со временем (в течение 60 дней) для трех массивов горных пород, обозначенных на фиг. 1.

Из фиг. 4 видно, что среднее значение целевой функции для участка 2 в течение месяца составляет 0,003. За двенадцать месяцев измерений среднее значение целевой функции на этом участке составило 0,055 при величине ее дисперсии 0,007. Разность средних значений целевой функции, определенной в течение года и в течение месяца, составляет 0,052, что превышает дисперсию целевой функции, определенной в течение года более чем в три раза. Следовательно, можно сделать вывод о том, что участок 2 нельзя считать механически устойчивым. В то время как участки 1 и 3 следует отнести к механически устойчивым, т.к. среднее значение целевой функции, определенное за двенадцать месяцев, для данных участков практически совпадает со значением, определенным за период, равный одному месяцу.

Формула изобретения

Способ определения механической устойчивости массива горных пород, включающий расстановку сейсмоприемников на исследуемом массиве горных пород, регистрацию сейсмических колебаний, обработку полученных данных, по результатам которой судят о состоянии массива горных пород, отличающийся тем, что регистрацию и запись микросейсмических колебаний проводят периодически не менее чем одним трехкомпонентным и не менее чем двумя однокомпонентными сейсмодатчиками, выбирают удовлетворяющие критериям случайности исследуемого процесса и характеризующиеся наличием фоновых микроколебаний импульсных колебаний волнового типа (ИКВТ) и цугов ИКВТ участки сейсмической записи, для которых строят графики зависимости изменения их амплитудно-частотных характеристик от времени, дополнительно определяют сейсмическую энергию ИКВТ, размеры блока, вызвавшего данное сейсмическое излучение, величину сбрасываемых в результате излучения напряжений и координаты очагов ИКВТ, для дополнительно определенных параметров также строят графики зависимости их изменения от времени, по полученным графикам определяют значение целевой функции как сумму вариаций всех определенных параметров, причем в качестве весовых коэффициентов целевой функции выбирают величины, равные обратному значению дисперсии каждого определенного параметра, а о механически устойчивом состоянии исследуемого массива судят, если разность средних значений целевой функции, определенных для периодов, равных одному году и одному месяцу, не превышает трех дисперсий вариации ее значений, определенных в течение года.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4